Theorie Angabe + Antwortblätter

42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Platznummer:
Liebe Teilnehmerin, lieber Teilnehmer am Landeswettbewerb 2016!
 Sie dürfen als Hilfsmittel für den theoretischen Wettbewerb einen nicht
programmierbaren Taschenrechner und das mitgelieferte Periodensystem, auf dessen
Rückseite Formeln und Konstanten angegeben sind, verwenden. Rechnen Sie mit allen
Stellen der Formeln und der Molmassen in diesem PSE.
 Schreiben Sie Ihre Nummer in das Feld oben! Geben Sie dieses Aufgabenheft (18 Seiten
Aufgaben mit diesem Titelblatt) ab. Nehmen Sie das Heft nicht auseinander! Sie haben
auch Konzeptpapier zur Verfügung, dieses wird nicht abgesammelt und nicht
bewertet!
 Sollten Sie allerdings in ein Antwortkästchen etwas Falsches geschrieben haben, dann
schreiben Sie die richtige Antwort auf Konzeptpapier. Markieren Sie dabei genau, zu
welchem Antwortkästchen dies gehört und geben Sie dieses Papier mit Ihrer
Platznummer zusätzlich ab.
 Unterstreichen Sie im Fall eines Rechenbeispiels das gefragte Endresultat.
 Bedenken Sie, dass physikalische Größen Einheiten besitzen (können). Sollten bei
Endresultaten Einheiten fehlen oder falsch sein, wird es trotz „richtiger“ Zahl zu
Punkteabzügen kommen.
 Bedenken Sie, dass jedes Beispiel leichte und schwierige Abschnitte hat, wobei die
leichteren Teile ohne weiteres nach einem schwierigen Abschnitt kommen können.
Dies gilt in besonderer Weise für die Aufgabe aus anorganischer Chemie.
 Es ist daher anzuraten, sich jede Aufgabe bis zum Ende durchzulesen, umso mehr, als
Beispielteile auch voneinander weitgehend unabhängig sein können.
 Sie haben für den gesamten theoretischen Wettbewerbsteil 180 Minuten Zeit. Die
späteste Abgabezeit wird auf die Tafel geschrieben.
1
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Problem A – 10 Punkte
1. Teil: Multiple Choice ohne Rechnungen
Kreisen Sie den jeweiligen Buchstaben der richtigen Antwort ein.
1.
Welches der folgenden Moleküle hat kein Dipolmoment?
a HCN
2.
e H2O
b 6
c 12
d 15
e 18
b Ag
c Cu
d Mg
e Ni
Die folgenden Moleküle haben die allgemeine Formel XYn. Welches davon hat den
größten Y – X – Y- Bindungswinkel?
a NH3
5.
d CO2
Ein Metall löst sich unter Gasentwicklung in 3,0 M NaOH. Es entsteht eine farblose
Lösung. Bei Neutralisation der Lösung entsteht ein gallertiger Niederschlag. Um
welches Metall handelt es sich?
a Al
4.
c SO2
Wir betrachten ein Arsen-Atom im Grundzustand. Wie viele Elektronen sind in allen
p-Orbitalen?
a 3
3.
b CH2Cl2
b CH4
c BF3
d SCl2
e SF6
Welcher der folgenden Feststoffe ist am besten in Wasser von 25℃ löslich?
a AgNO3
b CaCO3
c PbO
2
d ZnS
e Fe(OH)3
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
2. Teil: Multiple Choice mit kurzen Rechnungen
Kreisen Sie den jeweiligen Buchstaben der richtigen Antwort ein.
6.
Konzentrierte Flusssäure besteht zu 48 Massenprozent aus HF und hat eine Dichte
von ρ = 1,17 g/mL. Die Stoffmengenkonzentration von konzentrierter Flusssäure ist:
a 24 mol/L
7.
d 28,1 mol/L
e 14,0 mol/L
b 2,1 M
c 4,1 M
d 4,5 M
e 0,8 M
In einem geschlossenem Behälter befinden sich 4,0 mol Sauerstoff und 2,0 mol
Stickstoff bei einer Temperatur TA. Es werden 2,0 mol Sauerstoff entfernt, der Druck
bleibt konstant. Welcher Ausdruck gibt die Endtemperatur TE, ausgedrückt als
Funktion der Anfangstemperatur TA korrekt wieder?
3
a 𝑇𝐸 = 2 ∙ 𝑇𝐴
9.
c 4,8 mol/L
Man mischt 25,0 mL einer 6,0 M HCl mit 45,0 mL einer 3,0 M HNO3. Wie groß ist die
molare Konzentration an H3O+ in der entstandenen Lösung?
a 1,9 M
8.
b 11,7 mol/L
b
𝑇𝐸 = 2 ∙ 𝑇𝐴
c
2
𝑇𝐸 = 3 ∙ 𝑇𝐴
d
𝑇𝐸 = 3 ∙ 𝑇𝐴
e
𝑇𝐸 = 𝑇𝐴
Die Energie, die man benötigt, um ein Mol H-H-Bindungen zu spalten, beträgt 436 kJ.
Welche Wellenlänge muss Licht haben, das eine einzelne H-H-Bindung spalten kann?
a 122 nm
b 132 nm
c 274 nm
d 656 nm
e 722 nm
10. Eine Mischung aus 0,50 mol H2-Gas und 1,3 mol Ar-Gas befindet sich in einem
Behälter mit dem Volumen 4,82 L. Die Gasmischung im geschlossenen Behälter wird
auf 50,0 °C erhitzt. Wie groß ist der Partialdruck von H2 im Behälter?
a 1,5 bar
b 9,9 bar
c 7,2 bar
3
d 2,8 bar
e 15 bar
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Problem B –5 Punkte
Einfache Rechnungen
1. Stöchiometrie aus Luftfahrt und Raumfahrt
Natriumchlorat ist in chemischen Sauerstoffgeneratoren enthalten, wie sie sich in
Passagiermaschinen über jedem Sitz befinden. Sie sind über einen Schlauch mit einer
Sauerstoffmaske verbunden. Bei Druckverlust fallen diese Masken aus einer kleinen
Kammer über dem Sitz. Der Sauerstoffgenerator wird durch Heranziehen der Maske
aktiviert, dabei zerfällt NaClO3 in O2 und NaCl.
Ein Mensch unter Stress benötigt in 15 Minuten für die Atmung 38,0 L Sauerstoff
a) Stellen Sie eine abgestimmte Reaktionsgleichung für den Zerfall von NaClO3 auf.
b) Berechnen Sie die Mindestmasse an Natriumchlorat, die zur Erzeugung von 38,0 L
O2 benötigt werden (p = 100 kPa, T = 293 K).
Berechnung mit Resultat:
2. Elektrochemie: Messung der Avogadrokonstante
Zur Bestimmung der Avogadro-(Loschmidt)-Konstante wird die Elektrolyse einer 0,5 M
H2SO4 mit Kupferelektroden durchgeführt. Dabei geht Kupfer an der Anode in Form von
Cu2+-Ionen in Lösung, während an der Kathode H2-Gas freigesetzt wird. Es wurde 1802
Sekunden mit einem Strom von 0,601 A bei 100%-iger Stromausbeute elektrolysiert.
Die Massenabnahme an der Anode betrug 0,3554 g.
a) Schreiben Sie abgestimmte Gleichungen für die Elektrodenreaktionen auf.
Kathode:
Anode:
b) Berechnen Sie aus den gegebenen Daten die Avogadrokonstante.
Berechnung mit Resultat:
4
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
3. Etwas Thermodynamik
Die Schmelzwärme von Eis beträgt 6,012 kJ∙mol-1.
Die spezifische Wärmekapazität von H2O beträgt 4,184 J∙g-1∙K-1.
Berechnen Sie die Masse an Eis mit 0,0°C, die man zu 100 g H2O zugeben muss, damit
dieses von 25°C auf 0,0° C abgekühlt wird.
Berechnung mit Resultat:
5
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Problem C – 11 Punkte
Physikalische Chemie
1. Thermochemie und Gleichgewicht
Ammoniumhydrogensulfid NH4HS (s) ist eine instabile Verbindung, die leicht in NH3(g)
und H2S(g) zerfällt:
NH4HS(s) ⇌ NH3(g) + H2S(g)
Folgende thermodynamischen Daten (bei 25°C) sind gegeben:
Verbindung ΔBHO in kJ∙mol-1 SO in J∙mol-1∙K-1
NH4HS(s)
-156,9
113,4
NH3(g)
-45,9
192,6
H2S(g)
-20,4
205,6
a) Berechnen Sie für obige Reaktion 𝛥𝑅 𝐻 𝑂 , 𝛥𝑅 𝑆 𝑂 und 𝛥𝑅 𝐺 𝑂 bei 25°C.
Berechnung mit Resultat:
b) Berechnen Sie für obige Reaktion Kp bei 25°C.
Berechnung mit Resultat:
c) Berechnen Sie für obige Reaktion Kp bei 35°C unter der Annahme, dass 𝛥𝑅 𝐻 𝑂 und
𝛥𝑅 𝑆 𝑂 in diesem Temperaturbereich von der Temperatur unabhängig sind.
Berechnung mit Resultat:
6
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Nehmen Sie an, dass 1,00 mol NH4HS(s) in einen Behälter mit V = 25,00 L, der zuvor
evakuiert worden war, eingebracht wurden.
d) Berechnen Sie den Gesamtdruck im Behälter, wenn die Zersetzungsreaktion bei
25°C das Gleichgewicht erreicht (das Volumen des Feststoffs ist vernachlässigbar).
Berechnung mit Resultat:
e) Berechnen Sie die Stoffmengen aller 3 Reaktanten im Gleichgewicht. Sollten Sie bei
d) keinen Wert erhalten haben, rechnen Sie mit pG = 0,6 bar weiter.
Berechnung mit Resultat:
7
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
2. Protolysegleichgewichte
10 mL einer HCl-Lösung (c0 = 0,10 mol/L, pKa = -6,00) werden mit Natronlauge
(c = 0,050 mol/L) gemischt.
f) Berechnen Sie die pH-Werte der ursprünglich eingesetzten Lösungen.
Berechnung mit Resultat:
g) Berechnen Sie die pH-Werte der Mischungen, die nach Zugabe von 10 mL, 20 mL
bzw. 30 mL NaOH zu 10 mL HCl entstanden sind.
Berechnung mit Resultat:
Anschließend wird das Experiment statt mit HCl mit Propansäure (c0 = 0,10 mol/L,
pKa = 4,88) durchgeführt.
h) Berechnen Sie den pH-Wert der ursprünglich eingesetzten Propansäure.
Berechnung mit Resultat:
8
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
i) Berechnen Sie die pH-Werte der Mischungen, die nach Zugabe von 10 mL, 20 mL
bzw. 30 mL NaOH zu 10 mL Propansäure entstanden sind.
Berechnung mit Resultat:
9
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Problem D – 12 Punkte
Anorganische Chemie - Mangan mag man ...
Zu den Nebengruppenelementen, die auch schon Einsteiger/innen und gut bekannt sind,
zählt sicher das Mangan. Seine Weltjahresproduktion beträgt einige zehn Megatonnen,
der Großteil davon wird für Legierungen insbesondere mit Eisen verwendet.
Wichtige Manganerze sind der Manganspat, der Hausmannit und der Rhodonit.
Manganspat ist Mangan(II)-carbonat. Hausmannit hat einen Mangangehalt von 72,03%
(w/w). Rhodonit enthält neben 41,93 % Mn und 36,63% O noch das Element X im
Stoffmengenverhältnis 1:1 zu Mn.
a) Geben Sie die Formel für Manganspat an.
b) Zeigen Sie durch eine Rechnung, dass Hausmannit die Formel Mn3O4 besitzt.
c) Berechnen Sie die Formel von Rhodonit.
Berechnung mit Resultat:
Wird das Mangan direkt in eine Legierung überführt, so zum Beispiel in sogenanntes
Ferromangan, so kann es durch eine gemeinsame Verhüttung von Eisen- und
Manganerzen gewonnen werden.
d) Berechnen Sie die Masse an Hausmannit, die zur Produktion von 1 Tonne
Ferromangan mit 45%-Mangangehalt erforderlich ist.
Berechnung mit Resultat:
10
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Im Folgenden sind zehn Umwandlungen von Mangan und seinen Verbindungen in Form
unfertiger und nicht abgestimmter chemischer Gleichungen gegeben.
e) Ihre Aufgabe:
1. Vervollständigen Sie die Gleichungen, indem Sie aus der Tabelle die richtigen
Formeln auf die langen Linien schreiben. Beachten Sie dabei, dass jede Formel nur
einmal in eine Gleichung geschrieben werden darf und dass in den Gleichungen
nur dort Formeln fehlen, wo Linien dies andeuten.
2. Stimmen Sie die fertigen Gleichungen ab, indem Sie die richtigen Koeffizienten
(auch 1) auf die kurzen Linien schreiben.
H2SO4
H3PO4
Cl2
HCl
Ausgangsstoffe
Al
K2C2O4
AgNO3
NaOH
H2O
H2O
H2O
AgCl
KCl
H2
O2
Endstoffe
NaCl
K2SO4
KOH
(1) ___ MnO2 + ___ _____________ →
___ Mn + ___ _____________
(2) ___ Mn + ___ _____________
→
___ MnCl2
(3) ___ Mn + ___ _____________
→
___ MnSO4 + ___ _____________
(4) ___ MnO2
→
H2SO4
Al2O3
H2O
Cl2
___ Mn2O3 + ___ _____________
(5) ___ MnCl2 + ___ _____________ →
___ Mn(OH)2 + ___ _____________
(6) ___ MnCl2 + ___ _____________ →
___ Mn(NO3)2 + ___ _____________
(7) ___ MnSO4 + ___ K2S2O8 + ___ _________→___ KMnO4 + ___ ____________ + ___ ____________
(8) ___ KMnO4 + ___ _____________ →
___ MnCl2 + ___ _______ + ___ _______ + ___ ________
(9) ___ KMnO4 + ___ __________ + ___ _________ →___ MnO2 + ___ CO2 + ___ _____________
(10) ___ Mn2O3 + ___ ___________ + ___ _________ →
11
___ [Mn(OH2)6]PO4
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
f) Kreuzen Sie richtig an:
Die Koordinationsverbindung in Gleichung (10) heißt
 Pentaaquamangan(III)-phosphat
 Hexahydroxidomangan(III)-phosphat
 Hexaaquamangan(II)-phosphat
 Hexaaquaphosphatomanganat(III)
 Hexaaquamangan(III)-phosphat
Die Reaktion in Gleichung (3) ist eine
 Säure-Base-Reaktion  Redoxreaktion
Fällungsreaktion
 Komplexbildung 
Die Reaktion in Gleichung (5) ist eine
 Säure-Base-Reaktion  Redoxreaktion
Fällungsreaktion
 Komplexbildung 
Für die Praxis im Labor sind besonders die verschiedenen Oxidationsstufen von Mangan
in seinen Verbindungen interessant. So kennt man vier Tetraoxomanganat-Ionen
(MnO4n−) die je nach Oxidationsstufe des Mn-Zentralatoms verschiedene Fraben haben:
+IV – braun; +V – blau; + VI – grün; + VII – violett.
g) Kreuzen Sie für jede gegebene Verbindung die richtige Farbe an
K2MnO4
CaMnO4
Na3MnO4
NaMnO4
 braun
 braun
 braun
 braun
 blau
 blau
 blau
 blau
 grün
 grün
 grün
 grün
 violett
 violett
 violett
 violett
In saurer Lösung ist das Permanganat-Ion ein ziemlich starkes Oxidationsmittel. Diese
Eigenschaft und seine prominente Eigenfarbe eröffnen die Möglichkeit, es in einer
manganatometrischen Titration als Titrationsmittel einzusetzen.
Für eine Reihe solcher Titrationen wurde zunächst eine KMnO4-Lösung mit c = 0,0200
mol/L bereitet.
Mit Hilfe dieser Permanganat-Lösung konnte nun eine Bleibestimmung durchgeführt
werden. 1,631 g einer Bleiacetatprobe unbekannten Kristallwassergehalts wurden in
Wasser gelöst und die Lösung wurde auf ca. 200 mL aufgefüllt. Die Lösung wurde dann in
der Siedehitze mit gesättigter Oxalsäurelösung im Überschuss versetzt, wodurch Blei(II)oxalat PbC2O4 ausfiel. Dieser Niederschlag wurde nach dem Abkühlen abfiltriert und
gewaschen.
Der Trichter samt Filter und Niederschlag wurde auf einen Messkolben gesetzt und der
Oxalat-Niederschlag mehrmals mit heißer 1M H2SO4 übergossen. Das klar ablaufende
12
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Filtrat wurde gesammelt und in einem Maßkolben auf 250,0 mL aufgefüllt. Im Filter
verblieb ein weißer Niederschlag, der jedoch kein Oxalat mehr enthielt.
Aus dem Maßkolben wurden nun Aliquote von je 50,00 mL entnommen und deren
Oxalatgehalt durch Titration mit der Kaliumpermanganatlösung bestimmt. Der
durchschnittliche Titrationsverbrauch betrug 17,2 mL.
Die Titrationsreaktion erfolgt nach folgender Gleichung:
2 MnO4− + 5 C2O42− + 16 H+ → 2 Mn2+ + 10 CO2 + 8 H2O
h) Geben Sie eine abgestimmte Gleichung für das Behandeln des Bleioxalatniederschlags mit der Schwefelsäure an.
i)
Berechnen Sie die Oxalatmenge im gesamten Maßkolben.
Berechnung mit Resultat:
j) Berechnen Sie den Kristallwassergehalt der Bleiacetatprobe
(Pb(CH3COO)2⋅xH2O).
Berechnung mit Resultat:
13
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Problem E – 6 Punkte
Strukturermittlung
Die folgenden 5 Abbildungen zeigen die 1H-NMR von 5 organischen Verbindungen. Zur
Beantwortung der danach gestellten Fragen steht eine Tabelle der chemischen
Verschiebungen zur Verfügung. Die Zahlen bei den Peaks entsprechen den Peakflächen
und damit dem Verhältnis der H-Kerne, die diesen Peak erzeugen.
Struktur δ(ppm) Struktur
δ(ppm)
Struktur
δ(ppm)
-CHn1-2
R-CHO
9,5 – 10
Aromaten-H
6–8
-CH2-X
2-3
R-CO-OCH3 3,5 – 4,0 aromat. Amine 2,5 - 5
CH3O≈3,5
R-COOH
10 - 12
Phenol-H
4-8
Zeichnen Sie Konstitutionsformeln der jeweiligen Verbindungen in die Kästchen bei
den Spektren A bis E.
Spektrum A: C3H5ClO2
3
1
1
Spektrum B: C4H7BrO2
3
3
1
14
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Spektrum C: C4H7BrO2
2
3
2
Spektrum D: C4H7BrO2
6
1
Spektrum E: C4H8O3
2
3
2
1
15
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
Problem F – 16 Punkte
Organische Synthese
(-)-Phellandral ist ein Terpen des Eukalyptusöls. Es wird durch Tollens-Reagenz
(ammonialkalische Silbernitratlösung) zur (-)-Phellandrensäure oxidiert, die unter
Aufnahme von nur 1 mol Wasserstoff in Dihydrophellandrensäure übergeht.
Die Elementaranalyse von Phellandral liefert folgende Werte: 78,95 % C, 10,50 % H, der
Rest ist Sauerstoff. Die Molmasse liegt unter 200 g/mol.
a) Berechnen Sie die Summenformel von Phellandral.
Berechnung mit Resultat:
b) Berechnen Sie die Anzahl an Doppelbindungsäquivalenten.
Berechnung mit Resultat:
c) Welche funktionelle Gruppe und welche Strukturelemente (Ringschluss, Mehrfachbindungen) enthält Phellandral?
Um die Struktur von Phellandral zu bestimmen, wurde eine Totalsynthese durchgeführt.
Einige Hinweise zum Schema auf der nächsten Seite:
 Alle Strukturen sind monocylisch.
 B ist das sterisch weniger gehinderte Produkt (das andere Konstitutionsisomere
wird nicht weiter verwendet).
 C gibt mit Fe3+-Ionen eine Farbreaktion.
 E reagiert mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin
 I heißt mit dem Trivialnamen Phellandrensäure.
16
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
1. KOH
Schmelze
H2SO4, SO3
AlCl3
B
A
C
2. H+/H2O
C9H12O3S
C9H12O
3 Äqu. H2/Ni
KCN, H+
K2Cr2O7/H2SO4
G
F
E
C12H19NO2
C10H17NO
C9H16O
D
thermische
Eliminierung
- CH3COOH
H2SO4, H2O
H
SOCl2
I
C10H16O2
H2/Pd/BaSO4
K
J
Phellandral
C10H15ClO
d) Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln der Verbindungen A – K und markieren Sie
in der Strukturformel von K (Phellandral) das chirale Zentrum mit *.
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
17
42. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2016
Theoretischer Teil
Angabeblätter mit Antwortkästchen
e) Geben Sie für die folgenden Reaktionsschritte an, ob es sich um eine nucleophile
Substitution (SN), eine elektrophile Substitution (SE), eine nucleophile Addition
(AN), eine Hydrolyse (Hy), eine Oxidation (Ox) oder eine Reduktion (Red) handelt.
Benzen→A:
A→B:
B→C:
C→D:
D→E:
E→F:
H→I:
J→K:
f) In welchem Syntheseschritt tritt die Chiralität zum 1. Mal auf?
Schritt:
g) Zeichnen Sie für diesen Schritt die beiden möglichen Isomere, die entstehen
können.
h) Natürliches (-)-Phellandral hat die
entsprechende Konfigurationsformel.
S-Konfiguration.
Zeichnen
Sie
die
Die katalytische Hydrierung von (-)-Phellandrensäure liefert ein Gemisch aus 2 optisch
inaktiven Isomeren.
i) Zeichnen Sie Konfigurationsformeln dieser Isomeren.
stereochemischen Verhältnis stehen die beiden Isomeren?
Isomeriebeziehung:
18
In
welchem